澳大利亞發現板塊運動的最古老證據

2020-12-24 騰訊網

這張插圖展示的是30多億年前地球一角的模樣。這一時期究竟存不存在板塊運動仍然飽受熱議，而最新的研究發現了迄今最早的板塊運動直接證據，加劇了這場爭論。

圖源：ALEC BRENNER, HARVARD UNIVERSITY

撰文：MAYA WEI-HAAS

在澳大利亞西部荒涼的原野上，一塊露出頭的巖石讓地質學家得以窺見我們星球早期的「顫動」。這些世界上最古老的巖石，可能蘊含著地殼構造板塊運動的最古老證據。

巖漿從地表下滲出，進入現在已消失的海洋，冷卻、變硬，成了球狀的一塊。根據科學家最近發表在《科學進展》上的論文，這些巖石中保存的磁場特徵表明，該地區曾在32億年前緩慢移動，速度與如今的地殼板塊移動速度相仿。這一時間比此前發現的證據早將近5億年。

威斯康星大學麥迪遜分校的地球化學家Annie Bauer（未參與本研究）稱：「證據確鑿，這是關於早期板塊運動的最重要的證據。」

現今，地球的地殼板塊仍然在移位，而這一過程創造了高山，開闢了盆地，並引發了火山噴發。這類地殼板塊運動塑造了多樣的生態位，比如海底的熱泉、地表溫泉——生命正是在此中形成。

該研究論文的第一作者、哈佛大學的博士生Alec Brenner說：「在研究地殼運動的同時，我們也在拼湊我們自己起源的故事。」

搜尋古老的巖石

大約45億年前，我們的地球從一團打旋的氣體與塵埃中誕生，起初的溫度極高。熔巖形成的海洋在表面湧動，可能還有火山把巖漿噴向空中。但是，地球很快冷卻下來，過了幾千萬年，地表硬化成了地殼。

科學家認為，早期的地殼是完整包裹著地球的一整塊，與如今火星的地表很像。大約在40億至10億年前，單塊地殼出現了犬齒交錯的裂紋。不同板塊相互衝撞，把巖石擠入地幔，或擠向天空。板塊運動由此誕生。

至於這一變化是何時、如何發生的，科學家知之甚少。板塊運動不斷地重塑著地球巖石，融化地殼，攪出新的巖漿，同時抹去遠古歷史的證據。「基本上來說，現今地表的巖石，只有5%能展現地球歷史的前半段。」

許多關於早期板塊運動的研究，都是通過鑑定化學成分來推斷其運動。例如，遠古礦物質的成分能表明俯衝帶內部的構造（俯衝帶指一個地殼板塊斜插入另一板塊下方的位置）。但是，要想描繪出不同板塊的運動，科學家必須得採取其他措施，比如研究巖石中蘊含的磁場特徵。

2016年，Brenner未來的導師、哈佛大學古地磁學家Roger Fu著手仔細審視澳大利亞的地圖，搜尋古老的巖石，以期利用磁場線索來直接測量地殼早期的位移。Roger Fu與一名同事最終在一個地方有所發現：澳大利亞西部的吸蜜鳥玄武巖（The Honeyeater Basalt）。2017年夏，Brenner和Roger Fu前往澳大利亞內陸實地搜尋。

他們在澳大利亞內陸不同地區鑽探了約100個巖芯，記錄了每個巖芯的位置和方位，並與之前收集的100多個樣品一同研究。回到實驗室後，他們分析了每個樣品的磁場特徵。這些樣品中的含鐵礦物結晶後就像是一個一個微小的指南針，標示著自身的方向。

當把巖石從形成至今位置的變化考慮在內，把這些「指南針」全都排列對齊，就能發現這塊巖石在遠古時期真正的磁場特徵。Roger Fu回憶起當時的想法：「我們可能即將發現一些東西。」

地殼構造開端

這支研究團隊把計算出的吸蜜鳥玄武巖的位置，與之前在附近露出地面的巖石做了對比，後者的年代稍顯古老，並包含有更早的磁場特徵。該分析發現，這些巖石形成時，地殼正以每年大約2.5釐米的速度移動。

Brenner說：「對於現代地球背景下的板塊運動而言，這個速度完全是稀鬆平常。」

當時的地殼運動時，地球可能還是被一整塊地殼包裹著。不過，如果真是這樣，這一速度比預想的更快。該發現反而暗示，在我們的星球形成10億年後，板塊運動可能已經整裝待發。

然而，Brenner認為，單從這一個地點獲得的證據並不一定意味著全世界的板塊都在移動。板塊運動可能時斷時續，而且某些地區的板塊裂開、移動的時間比其他地區更早。

Bauer說：「這個過程可能參差不齊。」他最近發表的一篇研究論文論證了早期板塊運動的起始時間並不統一。

德克薩斯大學達拉斯分校的古地磁學家John Geissman（未參與本次新研究）稱，驅動地殼板塊早期運動的機制尚不清楚。現代板塊運動的主要力量，是巖石板在俯衝帶猛插入地幔產生的拖曳。但是，幾十億年前可能就已經上演了其他過程，比如湧起的巖漿噴流迫使表面的巖石破裂。

如果32億年前的這種萌動確實是板塊運動的開端，那麼，這一萌動意味著地球地質運動開始得相當早，而地質運動恰好也是生命進化的一個關鍵節點。板塊運動就像是行星調溫器，將溫室氣體從地球深處帶到大氣層。它還驅動火山噴發，將新鮮的營養物質從地底深處運到地表。它甚至還在將氧氣噴向天空的過程中起了些作用。

理解了板塊運動的起源，「你可以試圖確定對這個星球上生命發展至關重要的事件的時序。」馬裡蘭大學的地球化學家Val Finlayson說道（他並未參與本研究）。

為實現這一點，科學家們將繼續在地球上翻找更多遠古運動的跡象。Brenner說：「如我們所說，我們其實是在數據分析中穿行，前往另一個巖層單位。」

（譯者：mike-gao）

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